声波测井薄层厚度计算公式的研究与应用_吴奇

第29卷　第1期

物探化探计算技术　　

　

　　　

2007年1月

文章编号:1001—1749(2007) 01—0026—04

声波测井薄层厚度计算公式的研究与应用

吴　奇, 汤井田

(中南大学, 长沙　410000)

摘　要:以解决工程实践难题为目的, 首次提出了根据换能器与薄层所处位置不同, 分别利用其

不同求薄层厚度公式之观点。研究了声波测井薄层厚度定量计算公式, 详细介绍了公式在高背景上检出V p 低值薄层, 在低背景上检出V p 高值薄层的应用情况及如何选用合适计算公式等问题作了一些探讨。同时, 度定量计算精度的重要性。

关键词:声波测井; 薄层厚度; 计算公式; +

中图分类号:TP 63118薄层实际厚度。

0　前言

薄层的检测与厚度定量计算关系到大坝基础的稳定性, 是工程地质人员所关注的一个重要问题。过去对薄层检测及其厚度计算是凭钻探岩芯或钻进感觉确定, 这在钻探质量不高时很难达到预期目的。而一般的根据声测V p 曲线来圈定薄层, 则在薄层较薄, 上覆、下伏岩体V p 较高(或较低) 时, 由于薄层反映出的异常较小, 其V p 值与上覆、下伏岩体V p 测量值差值较小(小于测区圈定异常标准) 而容易被遗漏。作者在本文中以工程实践为依据, 通过对薄层厚度计算公式的研究已较好地解决了这一问题。

1. 1　公式的导出

声波测井探头进、出薄层有图1所示的三种情况。在进行公式推导前, 不妨先作几点约定

。

1　薄层定量公式的研究

在工程实践中, 当发射换能器与二接收换能器范围内发育有薄层时, 尽管声波测井所得V p 值为上覆、下伏岩体与薄层的综合反映, 但由于原生薄层与上覆、下伏岩体往往存在较明显的波速差异, 存在明显界面, 而破碎夹层也存在一等效界面。因此, 通过对V p 值的分析, 我们能够较准确地求出

收稿日期:2005-11-01

图1　探头进出薄层示意图

Fig . 1　Sketch map with p r obe in and out thin layer

(1) 测点间距与二接收换能器间距相同(实际

1期吴奇等:声波测井薄层厚度计算公式的研究与应用

对于图1(c ) 有:

r V p 1

・27・

工作中为了对孔壁进行连续测试, 一般均采用这种

工作模式) , 设为L (本文以间距012m 为例) 。

(2) 上覆、下伏岩体之纵波速度为:V po (实际工

+

R V p 1

+

L -R -r ′V p 0

=Δt 2-(t ′1-t 2)

程中大多数薄层出现在同一岩体中, 故作此约定有其实际意义) , 薄层纵波速度为V p 1, V p 2为测点实测纵波速度。

(3) R 1为一换能器进入薄层时, 二接收换能器所夹薄层厚度(注:作者在文中所讲一个换能器“进薄层”的情况是指声波在井壁上之折射点在薄层中。否则, 换能器虽在薄层中, 但声波的传播并未受薄层的影响。同样, “出薄层”也是指其折射点在下伏岩体中) ; R 2为一换能器出薄层时, 二接收换能器所夹薄层厚度; R 为薄层厚度。

(4) 在图1(b ) 、图1(c ) 中:△t 1为一个接收换能器进入薄层的测点所测时间差; △t 2为一个接收换能器出薄层的测点所测时间差; t 1为声波由井壁传至上覆岩体中的换能器所用时间; r 3t 24;

t ′1　　　R 2={[Δt 2-(t ′1-t 2) ]Vp 0V p 1-r 4V p 0+

r ′3V p 1-LV p 1}/(V p 0-V p 1)

(3)

因R =R 1+R 2, r 3=r ′故式(2) 与式3, t 1=t ′1。(3) 相加得:

R =R 1+R 2=[(Δt 2+Δt 1) V p 0・V p 1-

2L ・V p 1]/(V p 0-V p 1) (4)

这样就得出了二接收换能器夹住薄层时, 薄层

厚度计算公式为式(1) ; 二接收换能器未夹住薄层时, 厚度计算公式为式(4) 。

当然, 就公式(4) 而言, , 还存在二, (4) 应作如下[(+1) V p 0V p 1-2L ・V p 1]/(V p 0-V p 1) +n ・L

(5)

n 为二换能器均在薄层中的测点数。1. 2　二点结论的推出

将公式(1) 变形为

V p 2LV V (RV p 0+LV p 1-RV p 1)

间; r ′3离在井壁上的投影长度。

显然, 因前面已设定上覆、下伏岩体V p 速度一样, 故有r 3=r ′3, t 3=t ′3。另外, 因是连续测量, 测点间距与二接收换能器间距相等, 故有R =R 1+R 2

(5) 在图1(a ) 中:△t 为二接收换能器夹住薄层时, 测点实测时间; t 1为声波由井壁传至上覆岩体中之换能器所用时间; t 2为声波由井壁传至下伏岩体中之换能器所用时间。

由于前已叙及之理由, 故有t 1=t 2。基于以上约定, 可以作出如下推导。对图1(a ) 有:

+=Δt V p 1V p 0

(6)

式中　V p 2为测点实测之纵波速度。

式(6) 对V po 求V p 2的一阶导数有

V ′p 2LV p 1(L -R ) (RV p 0+LV p 1-RV p 1)

2

2

(7)

显然, 式(7) 在①R =L 时, V ′p =0, V p 2=V p 1; ②

R 0, 亦即V p 2随V p 0增大而增大, 减小

而减小; ③R >L 时, V ′p 2L 已超出公式(1) 之前提—二接收换能器夹住薄层, 故此条无实际意义。

将公式(5) 变形为

V p 2=LV p 0V p 1/[(R -L n ) V p 0+nLV p 1+

3

R Δt 1V p 1V p 0-LV p 1

V p 0-V p 1

(1) 2LV p 1-RV p 1](8)

对于图1(b ) 有:

(L -R 1) (R 1-r r 34) =Δt -(t 2-t 1) V p 0V p 0V p 0

式中　V p 2=

V p 2进V p 2出

; V p 2进为探头下部接收换能

V p 2进+V p 2b m

器进入薄层时测点实测纵波速度; V p 2出为探头下部接收换能器出薄层时测点实测纵波速度。

3’

式(8) 对V p 0求V p 2的一阶导数有:

　　R 1={[Δt 1-(t 2-t 1) ]Vp 0V p 1+r 4V p 0-r 3V p 1-LV p 1}/(V p 0-V p 1)

(2) V p 2=LV p 1(nL +2L -R ) /[(R -L n ) V p 0+

3’

2

・28・

nLV p 1+2LV p 1-RV p 1]

3

2

物探化探计算技术(9)

3

29卷

3’

显然, 式(9) 在①R =(n +2) L 时, V p 2=0,

上述测区圈定异常标准低得多) 。对此, 有了结论(2) 就很容易作出解释:这是由于a 、c 二破碎夹层

V p 2=V p 1/2; ②当R

增大, 减小而减小; ③当R >(n +2) L 时, 事实上二接收换能器在薄层中的测点个数必须将由n 个变为n +1个, 这样在实际工作中R >(n +2) L 的情况也是不存在的。

综上所述, 可得如下结论:

(1) 对公式(1) 而言:当R =L 时, V p 2=V p 1; 对

3

公式(5) :当R =(n +2) L 时, V p =V p 1/2。

(2) 对公式(1) 来说:V p 2随V p 0增大而增大, 随3

减小而减小; 对公式(5) :V p 2随V p 0随增大而增大,

随减小而减小。

图V p 2　薄层定量计算公式的应用

2. 1　在高背景上检测V p 低值薄层

. 2　V in well ZK10

、下伏岩体之纵波速度V p 0, 从而使其V p 值偏低。

在结论(2) 的指导下, 　V p , V p 低值薄层, 。如表1所示ZK12号钻孔38m 处断层。从表1可见, 断层之V p 值因上覆、下伏岩体V p 值高而偏大, 按一般方法圈定异常时, 很容易遗漏掉。

表1　ZK12号钻孔38m 处断层厚度计算表

Tab . 1　The fault thickness calculati on

3　薄层定量计算公式在定量计算薄

层厚度时的应用

　　首先, 应该说明只有薄层V p 1与上覆、下伏岩体之V p 0存在明显差异时定量计算结果精度才高。在此情况下进行定量计算前还应进行如下一些工作。3. 1　薄层纵波速度V p 1的确定

(1) 收集前人资料, 看测区主要薄层类型V 1

　　　　　　　at 38m dep th in well ZK12

孔号

V p 曲线特征

钻孔揭示厚度(m ) 计算厚度(m )

值是否已知(如:有无双孔穿透资料) 。

(2) 在分析V p 曲线的基础上, 选用一些钻探质量高、薄层厚度已知的测段, 反推出薄层V p 1(在实际工作中上覆、下伏岩体之V p 0较易做到取值准确) 。

(3) 由结论(1) 知:当薄层厚度越靠近L 时, 测点实测V p 2将越接近薄层V p 1, 这样利用厚度接近L 的薄层, 可直接通过实测取得V p 1参数。(当然, 也

3

可用R =(n +2) L 的薄层, 实测得V p 2, 利用V p 1=

ZK120. 170. 16

2. 2　在低背景上检测V p 高值薄层

V p 2来获取V p 1参数) 。

3

图2为澧水渔潭水电站ZK10号钻孔所测岩体V p 曲线(原始资料由龙亦安提供) 。据现场开挖资料证明, 图2中a 、c 低值异常为二条破碎夹层之反映, 而b 高值异常为石英粉砂岩夹层之反映。该测区石英粉砂岩夹层V p 在4400m /

s ～4850m /s 之间, 而图2中b 异常幅值显然偏低(比

(4) 由于不同风化带内, 薄层受风化的影响不

同, 故应对薄层在各风化带中的V p 1值有所了解, 不

能机械地套用。3. 2　对公式(1) 、公式(2) 的选用

(1) 对于V p 曲线特征明显的情况, 可由定性检层大致确定薄层厚度。对于R >L 的薄层, 只能

1期吴奇等:声波测井薄层厚度计算公式的研究与应用・29・

用公式(5) 。

(2) 众所周知, 当二接收换能器夹住薄层时, 由于声波通过薄层的距离最长, 受其影响最大, 故该测点V p 值将远低于(或高于) 其它测点。其曲线特征如下页图3(a ) 所示。当然, 此种情况应用公式(1) 。

(3) 当二接收换能器一个在薄层内, 一个在其外, 而薄层厚度较小时, 由于声波只是穿过部分薄层, 受其影响比图3(a ) 中情况要少。其V p 曲线特征为第一测点与第二测点V p 值相差不大, 但均与其它测点存在较大差值(见图3(b ) 所示) , 此时应用公式(5) 。

(4) 当薄层厚度较大, 换能器进入薄层(包括以上二种情况) 时, 其中V p 曲线特征为以上二种情况的综合, 如图3(c ) 所示, 此时, 应用公式(5)

。

4　结语

作者在本文中以工程实践为依据, 分析研究了薄层厚度定量计算公式, 详细介绍了它在工程实践中的应用及使用效果。解决了生产中的一些难题。尽管文中结论是在一定条件下得出的, 但对实际工程而言, 仍具明显的指导意义。

在文中所提各点均为实际工作所证实, 但公式的应用实例有限, 尚须进一步得到实践的检验, 诚望各位同仁提出宝贵意见。最后, 谨向对本文给予帮助的王思敏高工、龙亦安工程师致谢。参考文献:

[1]. V p -

J ].人民长江, 1989. 2:

[2. [J ].物探化探计

算技术, 1996, 18(4) :353.

[3]　王大川, 严忠琼, 李显贵. 层析成象中的波形反演

[J ].物探化探计算技术, 1996, 18(4) :298.

图V p p features of thin layers

[4]　王绍甫. 岩体弹性波测试技术中的几个问题[J ].工

程物探, 1996. 2:1.

[5]　刘善军, 艾宝利, 陈建强. 岩体弹性波测试技术的最

应该指出该项工作是较复杂的, 同时又很重要, 需要在积累了一定经验之后才能处理得较好。

为此, 建议在现场绘制草图, 并根据曲线异常情况将探头上、下移动, 以便更好地了解探头在薄层中的位置情况, 更准确地选择计算公式。同时, 当薄层厚度小于L 时, 应尽可能使探头二接收换能器夹住薄层, 以便选用相对简单的公式(1) 进行定量计算。3. 3　应用实例

表2所列为沔水洮水电站下坝址部分薄层厚度定量计算值与钻探揭示厚度对比情况。

表2　薄层厚度定量计算值与钻探提示厚度对比

Tab . 2　The calculati on thickness of thin layers

contrasted with measured thickness by drilling

新应用[J ].工程物探, 2001, (3) :353.

[6]　尹海英, 尹亚飞, 田中元. 利用声波测井预测流体类

型[J ].国外测井技术, 2003, (2) :23.

[7]　李祖奎. 利用声波测井资料预测地层可钻性及钻速

的实验研究[J ].焦作工学院院报, 1999, 18(3) .

作者简介:吴奇, (1966—) , 男, 博士, 水利部湖南

省水利水电勘测设计研究总院主任工程师、高级工程师, 曾获省部级科技进步三等奖一项, 主要从事工程物探、工程检测工作。

岩芯薄层厚度(m )

选用

孔号获得率钻探揭计算

公式

(%) 示厚度厚度

ZK938. 8700. 20. 2(1) ZK623. 5131. 21. 1(5)

断层破碎带

ZK636. 5530. 20. 18(5) ZK2458. 1550. 40. 38(5)

孔深

(m )

薄层类型

・2・

ABSTRACTS 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol . 29　No . 1

t w o i m portant mechanis m s of fluid fl ow in por ous media with fluid . Dv orkin and Nur p resented an uni 2

fied B I S Q (B i ot -Squirt ) model, but it is comp lex in fluid -p ressure equati on . Maradou S . D and Er win A. p resented a modefied B I S Q model without the squirt fl ow length based on B I S Q mechanis m. I n this paper, seis m ic wave 2field for ward p r oble m based on the modified model is s olved by using p seudo -s pec 2tral method . The results show the existence of fast P -W ave, sl ow P -W ave, S V -W ave and SH -W ave . Compared with B i ot model and B I S Q model, the modified B I S Q model is easy t o exp ress and calcu 2late with si m ilar results t o the for mer t w o models, be 2ing a feasible and ne w B I S Q model . Key words:refor med B I S Q; wave 2field modeling; por ous media; p seudo 2s pectral method

3-D I M ENS I O N STREA M CO AL GO R I TH M BASE D O N N 2I NG

121

DENG Fei , , 2ing , et al . (1. ogy, Chengdu 　610059, Southwest J iaot ong University, Chengdu 　610031, China ) . COM PU TI N G TECH 2

N I QU ES FOR GEO PHYS I CAL AND GEOCHE M ICAL EX PLORA TI ON , 2007, 29(1) :19

(1) :23

I n vie w of the need of the 3D seis m ic data vol 2ume dis p lay, the paper has s ome i m p r ove ment on the base of analyzing the 3D visualizati on method and technique of the direct volume rendering in additi on t o the characteristics of the 3D seis m ic data . The paper realize the 3D seis m ic data v olume ’svisualizati on methods and s oft w are, and by the dis p lay of the char 2acteristics of seis m ic wave a mp litude, the 3D seis m ic a mp litude s pace distributi on of the variati on of inten 2sity has been revealed .

Key words:volu me rendering; seis m ic data; open 2G L; 3D -visualizati on

STU DY I N LAY ER F O Y

ACO UST I C

I WU J ing 2tian (Central s outh University, 　410083, China ) . COM PU TI N G TECH 2

N I QU ES FOR GEO PHYS I CAL AND GEOCHE M ICAL EX PLORA TI ON , 2007, 29(1) :26

I n order t o s olve the p r oble m s in engineering p ractice, this paper p r oposes the use of different thin layer thickness for mulas according t o the thin layers in different l ocati ons on the basis of the transducer for the first ti m e . The paper intr oduces in details the ap 2p licati on of the exa m inati on of thin layer thickness with high -value V p in l ow backgr ound and l ow -val 2ue V p in high -value backgr ound . This paper has al 2s o discussed the foll owing t w o points:the cap turing of l ongitudinal wave vel ocity and the choosing of app r o 2p riate for mulae, in order t o de monstrate that these measure ments are of i m portance t o raise the accuracy of the thin layer thickness calculati on .

Key words:acoustic well l ogging; thin layer thick 2ness; l ongitudinal wave vel ocity

RESERV O I R PHY S I CAL PR O PERT I ES AN D E 2VAL UAT I O N O F LOW ER SH I HEZ I FO R M A 2T I O N I N HANGJ I NQ I AREA O F N O RTHERN O RDO S BAS I N

CAO J ing 2hua, ZHOU W en, DENG L i 2zheng, et al . (State Key Laborat ory Of O il And Gas Reservoir Ge 2ol ogy And Exp l oitati on, Chengdu University of Tech 2nol ogy,

Chengdu 610059, China ) . COM PU TI N G

FOR

GEO PHYS ICAL

AND

GEO 2

TECHN I QU ES

I n the fields of the geophysical exp l orati on and

geol ogy engineering, 3-di m ensi on layer models need t o be constructed for si m ulati on or research . W e p r o 2pose a whole series of 3-di m ensi on layer construc 2ting algorith m based on the analysis of the characteris 2tics of the 3-di m ensi on constructing model and the secti on rebuilding . The sche me which can make the interactive modeling fr om the existing data is si m p le, efficient and p racticable . Moreover, the comp licated model with the fault can be built by the method . Key words:3-di m ensi ons constructing model; lay 2er rebuilding; inter polati on; subdivisi on; intersec 2ti on; suture 3D

V I SUAL I ZAT I O N O F

SE I S M I C

DATA

BASE D O N V OL U M E REN D ER I NG HONG Yuan, L I Lu 2m ing, LUO Sheng 2xian (College of I nfor mati on Engineering, University of Science and Technol ogy of Chengdu, Chengdu 610059, China ) .

COM PU TI N G TECHN I QU ES AND GEOCHE M ICAL

FOR GEO PHYS ICAL

EX PLORA TI ON ,

2007, 29